气象学-第二章-辐射

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章,辐射,徦如没有太阳。,辐射就是物体发射电磁波,所有物体都在发射电磁波，也吸收电磁波,电磁波就是“光”；光就是电磁波,电磁波是一种能量，无处不在，无时不在,电磁波是物体间能量交换的重要方式。,光是什么？辐射是很危险的东西吗？,紫外线消毒的原理？,微波炉加热食物的原理？,蓝色是冷色，红色为暧色？,太阳离地球很远，为何会带给地球温暖？,晴朗的天空为何是蓝色的，日落为红色？,叶片为何是绿色的？,为何夏天穿黑色衣服感觉更热？,主要内容,1.,辐射的基本知识,2.,太阳辐射,太阳的高度与方位、昼长变化,太阳辐射概述,大气层对太阳辐射的影响,到达地面的太阳辐射,与植物的关系,3.,地面和大气辐射,大气温室效应,地面辐射,大气辐射,黑体与灰体,辐射与电磁波,辐射基本规律,1.,辐射的基本知识,辐射定义,电磁波,辐射的基本规律,基尔霍夫定律 （,Kirchhoff,）,斯蒂芬,波茨曼,(Stefan-,Boltzman,),定律,维恩（,Wien,）位移定律,辐射：物体发射电磁波,任何,物体,(,273,),都会向外发射,电磁波,电磁波？,发射,电磁波的强度,发射什么样的,电磁波,物体对电磁波的吸收,振动产生波,墙,所有的物体都由分子、原子等带电粒子组成,“振动”的强烈程度即是“温度”,热辐射,带电粒子的振动产生电磁波,所有的带电粒子都在“振动”,所有的物体都在辐射电磁波，且与温度有关,辐射,名称,波长范围,紫外线,100,埃,0.4,微米,可见光,0.4,微米,0.76,微米,红,外,线,近红外,0.76,微米,3.0,微米,中红外,3.0,微米,6.0,微米,远红外,6.0,微米,15,微米,超远红外,15,微米,1000,微米,微,波,毫米波,1,10,毫米,厘米波,1,10,厘米,分米波,10,厘米,1,米,色彩名称,波长范围,紫,0.40,0.43,微米,蓝,0.43,0.47,微米,青,0.47,0.50,微米,绿,0.50,0.56,微米,黄,0.56,0.59,微米,橙,0.59,0.62,微米,红,0.62,0.76,微米,不同电磁波的具体波长范围,可见光波长范围,斯蒂芬,波茨曼,(Stefan-,Boltzman,),定律,黑体和灰体,黑体：,能将投射到其表面的辐射全部吸收的物体，如地面、太阳 表面。只能部分吸收的为,灰体,黑体的辐射强度（,E,）与其,表面的绝对温度,（,T,）的四次方成正比，即：,E=T,4,=5.67,10,-8,是斯蒂芬,波茨曼常数。,普通物体的辐射强度,E=,T,4,：辐射率,维恩（,Wien,）定律,物体辐射出各种波长的电磁波（辐射波谱）,物体辐射能力最强的电磁波波长与,T成反比,max,=2897/T,（,m,）,max,辐射能力最强的电磁波波长,例如：,太阳表面温度为,6000K,，最大辐射波长,max,=2897/6000=0.48m,地球表面的平均温度为,288K,，放射的最大辐射波长为,max,=2897/288=10m,基尔霍夫定律 （,Kirchhoff,）,物体易发射某波段的电磁波，同时也易吸收相同波段的电磁波,物体对电磁波的吸收是有选择性的，如大气、水、玻璃、塑料薄膜、雪等。,（大气温室效应原理）,铁在常温下为黑色，高温下为白色,？,黑色的路面,、墙面,等的温度变化,红外测温仪、夜视设备、红外感应等,冷血动物（蛇等）,太阳能的利用,2.,太阳辐射,2.1,影响太阳辐射的天文因素,2.2,太阳辐射概述,2.3,大气层对太阳辐射的影响,2.4,到达地面的太阳辐射,2.5,植物与太阳辐射的关系,2.1,影响太阳辐射的天文因素,太阳的高度、方位、昼长变化,太阳高度与方位意义,太阳高度日变化、年变化、地区变化,正午太阳高度角,建筑物朝向、温室顶面倾角、山的南北坡小气候差别、果园行向、空调安装方位等,H,正午,90,A+B,A:,纬度,B:,太阳赤纬，太阳直射点纬度,春、秋分,0,夏至,23.5,冬至 ,23.5,可查表、计算,广州夏至、春分、冬日正午的太阳高度,H,夏至,=90-A+B=90-23+23.5=90.5,（,180-90.5=89.5,）,H,春分,=90-A+B=90-23+0=67,H,冬至,=90-A+B=90-23-23.5=43.5,天顶,南,北,夏至,春分,冬至,北京夏至、春分、冬日正午的太阳高度,H,夏至,=90-A+B=90-40+23.5=73.5,H,春分,=90-A+B=90-40+0=50,H,冬至,=90-A+B=90-40-23.5=26.5,北,南,天顶,春秋分太阳的高度与方位：,日出正东,正午正南,日落正西,太阳光线,地平线,天顶,地平线,北,南,夏至太阳方位,日出东偏北,正午,日落西偏北,回归线以北：正南,回归线,：天顶,回归线以南：正北,冬至太阳方位,日出 东偏南,正午,正南,日落 西偏南,昼长的时空变化,昼长即是太阳从地平面升起到落下的这段时间，也叫日长或可照时间。,光照时间,=,昼长,+,曙光,+,暮光,纬度越高，曙暮光时间越长,与植物的光周期有关,2.2,太阳辐射概述,太阳辐射光谱,辐射强度,太阳常数,辐射强度、照度、量子通量密度,太阳辐射光谱,定义,太阳辐射能随波长的分布曲线。,大气上界的太阳辐射光谱,图中：,实线是大气上界的太阳辐射光谱；,虚线是温度在,6,000K,时的黑体辐射光谱。,太阳辐射概述,2.2,太阳辐射概述,波长范围，大约在,0.15-4,微米之间。,能量分布,波长较短的,紫外光区,7,波长较长的,红外光区,43,可见光区,50,生理辐射或光合有效辐射,2.2,太阳辐射概述,太阳辐射强度,在垂直照射情况下在单位时间内、单位面积上所得到的辐射能量。,太阳常数,在日地平均距离的条件下，在地球大气上界的太阳辐射强度。,1367W/m,2,2.2,太阳辐射概述,辐射强度：,w/m,2,，用能量计算。,照度：光照强度，米烛光（,lux,),，夏日中午可高达,12,万,lux,以上。照明等。,光（量）子通量密度：,E/ m,2,s,1E=6.02,10,22,个光子，用于光合作用等较好,。,太阳紫外线,(UV),（选讲）,具有较高的能量，波长越短，能量越高。,UVC,0.2-0.29,的紫外线对生物有杀伤作用，可杀死单细胞生物，降低人体免役力，伤害人眼的视网膜，致使失明，好在这部分紫外线基本上被大气中的,O,3,吸收掉了，很少到达地面,。,UVB,0.29-0.32,波段,紫外线有少量到达地面，这部分紫外线能量也较高，可穿透人的皮肤，产生日灼，甚至皮肤癌（,90%,的皮肤癌与有关），有意思的是，,UVB,有利于维生素,D,的合成，而维生素,D,与人的健康关系密切,。,UVA,0.32-0.4,波段,紫外线能量相对较低一些，可使皮肤变红，对免役系统有一定危害。紫外线作用下，皮肤细胞中会产生一些黑色素，黑色素可吸收紫外线，起到保护作用（白种人与日光，皮肤癌）。,紫外线指数预报,紫外线指数：中午前后到达地面的紫外线对人体可能造成的损害程度。,用,0,至,15,表示。夜间为,0,，最强为,15,。,1,级：,0,、,1,、,2,2,级：,3,、,4,3,级：,5,、,6,中等强度，有一定影响,4,级：,7,、,8,、,9,较强，危害较大,5,级：,10,以上，危害大，需预防,2.3,大气层对太阳辐射的影响,吸收作用,散射作用,反射作用,大气吸收,大气反射,吸收作用,吸收后变为,热能,，可使气温升高,吸收物质,水气,0.93,2.85,微米之间,臭氧,0.2,0.3,微米,大气主体成份无吸收作用,太阳辐射主体未被吸收,太阳辐射不是大气,直接热源,尘埃等,眼对紫色不敏感,水汽,吸收最强的是在红外区,，从,0.93-2.85,微米之间的几个吸收带。最强的太阳辐射能是短波部分，因此水汽从总的太阳辐射能里所吸收的能量是不多的。据估计，太阳辐射因水汽的吸收可以减弱,4-15,。,氮和氧,，只有氧能微弱地吸收太阳辐射。在波长小于,0.2,微米处为一宽的吸收带，吸收能力较强；在,0.69,和,0.76,微米附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。,臭氧,在大气中含量虽少，但对太阳辐射的吸收很强。,0.2-0.3,微米为一强吸收带，使小于,0.29,微米的太阳辐射不能到达地面。,二氧化碳,对太阳辐射的吸收比较弱，仅对红外区,4.3,微米附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射影响不大。,散射作用,辐射遇到大气中的质点，以此为中心向,四面八方散开。只改变方向。,类型,分,子,散,射,粗粒散射,散射质点：分子,散射强度：与波长的四次方,成反比,高层大气，或天空晴朗,蓝天,、多,彩,天,空,的原因,天空多尘埃、云雾时,散射质点：粒子,散射强度：与波长无关,又称雷莱散射,反射作用,云层反射平均达,50,55,大气中较大颗粒的埃尘,散射作用指向天空的部分,由,直接辐射,和,散射辐射,组成,影响因素,太阳高度角,大气状况：云量、尘埃,大气透明度等,海拔,高纬和低,纬度地区，冬天和夏天，平原和高原,，晴天和阴天太阳辐射的差异？,2.4,到达地面的太阳辐射,太阳高度角与辐射强度,太阳高度角越大，辐射强度越强,太阳高度角与辐射强度,高度越小，路径越长，损失越少,太阳直接辐射,光谱,与,高度角,的关系,光谱成分,0.5,5,10,20,30,50,90,紫外线,0,0.4,1.0,2. 0,2.7,3.2,4.7,可见光,31.2,38.6,41.0,42.,44.,43.,45.3,红外线,68.8,61.0,58.0,56.,54.,52.,50.0,太阳辐射与植物关系,l.,波长大干,1m,的辐射 被植物吸收转为热能，不参与生化作用。,2,波长为,0.72-1m,伸长起作用，其中,0.7,0.8m,称为远红光，对光周期和种子形成有重要作用，并控制开花与果实颜色。,3.,波长为,0.610.72m,的辐射,(,红、橙光,),被叶绿素强烈吸收，光合作用最强,4,波长为,0.510.61m,的辐射,(,绿光,),表现为低光合作用与弱成形作用。,5,波长,0.40.51m,的辐射,(,蓝、紫光,),被叶绿素强烈吸收，表现强的光合作用与成形作用,6.,波长,0.3150.4m,的辐射,起成形作用，如使植物变矮、叶片变厚等。,7.,波长,0.280.315m,的辐射,对大多数植物有害。,8.,波长小于,0.28m,的辐射,能立即杀死植物。,3.,地面和大气辐射,地面辐射,大气辐射,大气逆辐射,地面有效辐射,地面净辐射,大气温室效应,地面辐射,1,30,m,主要在,10,m,附近,如地面温度,15,时：,E=T,4,=0.9,5.67,10,-8,2884,=346.7(w/m,2,),max,=2897/T=2897/288=10,（,m,）,一般，波长,4,m,称,长波辐射,波长,4,m,称,短波辐射,大气辐射,辐射主体：,co,2,、水气、云、尘埃等,大气逆辐射,大气辐射中向下的那一部分,大气天窗,大气在,8,12,m,吸收率很小,是地表失去能量的通道,影响因素,地面有效辐射,是地表实际失去的辐射能,即地面辐射大气逆辐射,地表温度，越高，辐射力越强,空气温度，越高，大气逆辐射越强,空气湿度，越大，有效辐射越小,天空云量，越多，有效辐射越小,海拔高度，越高，有效辐射越大,地面净辐射,R,R,（,S,D,）,（,1,a)-F,0,S,：直接辐射,D,：散射辐射,a:,反射率,F0,：地面有效辐射,到达地面的太阳辐射,地面得到的太阳辐射,又称地面,辐射差额,、,辐射平衡,意义,：,影响因素,R,是地面净得到或净失去的辐射能，对天气和气候有重在意义。,R,0,，净得到辐射能,R,0,，净失去辐射能,R,0,，辐射能收支平衡,到达地面的太阳辐射,下垫面反射特征,大气状况,海拔高度,大气温室效应,地球辐射平衡温度,地球得到的太阳辐射能与地球失去,的辐射能应相等，否则会升温或降温,理论上地球均温为,-18,实际为,+15 ,这是大气温室效应的结果,温室效应原因,玻璃阻隔室内外空气热交换,短波辐射易进，长波不易出,大气温室 效应：,短波辐射易进，长波不易出,大气的温室效应是必要的,问题在于温室效应的增强,近百年地球均温升约,0.6,预计未来升温1至6,气候变暖，气温升高,海平面上升，影响沿海地区,极地、高山、高原冰川减少,气象灾害增多、增强,1,、名词解释：,辐射、辐射能、电磁波谱、净辐射、辐射差额、地面辐射、地面有效辐射、大气逆辐射、分子散射、漫反射、短波辐射、长波辐射、近红光、远红光、近红外光、远红外光、黑体、太阳常数、光合有效辐射,2,、物体辐射的基本规律？,3,、太阳辐射的波长范围？可分为几部分？各部分能量比例？,4,、大气对太阳辐射有哪些影响？,5,、比较高原和平原、高纬和低纬、冬天和夏天、中午和早上的太阳辐射。,6,、地面有效辐射及影响因素？,7,、地面净辐射及影响因素？,8,、太阳辐射与植物生长发育的关系？,9,、为什么天气晴朗时天空呈蓝色，而浑浊时呈灰白色？日出日落时太阳呈红色？,10,、大气温室效应的原理？大气天窗？,思考题：,1.,如何理解“所有的物体都会发光”？,2.,微波炉加热食物的原理是什么？,3.,紫外线为何可用于消毒？,4.,云、大气湿度对地面温度有何影响？,5.,广州冬至、春分、夏至日出、日落方位？,6.,日长的时空变化规律？,7.,正午太阳高度角的计算公式？,